0前言

機制砂，屬于人工砂的一種，是由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm的巖石顆粒，但不包括軟質巖、風化巖。用專門的制砂機生產，一般含有10%～15%之間的石粉(粒徑小于75μm的巖石顆粒)，級配中大于2.36mm和小于0.15mm的顆粒偏多，細度模數普遍在3.0～3.7之間，粒形多呈三角體或方矩體，表面粗糙［1］。機制砂由于石粉含量及級配的問題使得在混凝土應用中造成困難，導致機制砂在某些地區不能夠很好的應用。

河砂是一種短期不可再生的資源，而且在我國分布不均勻，再加上不便于長距離運輸，混凝土用砂的供需矛盾日益突出，嚴重時影響工程的建設。同時，非法亂采河砂也造成了對環境的破壞［2］。因此，將機制砂代替天然砂并用于大型土木工程建設中已經成為必然趨勢。

近年來，我國在機制砂混凝土的運用中取得了一定的進展。但是機制砂混凝土在實際運用中仍然有大量問題亟待解決。本文主要概括了機制砂特性對混凝土性能的影響及現階段存在的問題。

1機制砂特性對混凝土性能的影響

1.1石粉含量對混凝土強度的影響

對于天然砂而言，粒徑小于75μm以下的顆粒被稱為泥粉，其多為黏土、云母及有機質等雜質，這些物質會顯著增大混凝土的用水量，阻礙水泥的正常水化，降低水泥石與集料之間的粘結。因此國標GBT14684－2001《建筑用砂》嚴格限定了天然砂中粒徑小于75μm顆粒的含量。但對于機制砂而言，粒徑小于75μm的石粉為機制砂在生產過程中產生的副產物，其物理化學性質與母巖性質完全相同，因此對于石粉應與天然砂中的泥粉區分對待［3］。GB/T14684－2011《建筑用砂》對機制砂中的石粉含量限值作了嚴格的規定為10%。實際上機制砂生產中通常要產生10%～15%的石粉，遠遠超過國標允許的限值。李北星等［4］認為機制砂中石粉含量在20%以下的C30混凝土，石粉含量在14%以下的C60混凝土，石粉對強度基本有提高作用。就達到最高強度而言，C30混凝土的最佳石粉含量約為20%，C60約為10%。但C80高強混凝土的強度隨石粉含量增加呈逐漸下降趨勢，以石粉含量3%為最佳。Ahn［5］認為石粉含量增加到10%混凝土28d抗折強度也增加10%，石粉含量增加到30%混凝土抗折強度反而下降了10%，隨石粉含量13%、17%、20%增大，機制砂混凝土的抗壓強度降低，但抗折強度卻提高。Celik和Marar［6］研究發現在w/c=0.50情況下，石粉含量10%時，混凝土的28d抗折強度比不摻石粉時提高10%，當石粉含量增加到30%時，28d抗折強度則下降10%。其次，部分學者［7］的研究表明花崗巖和其他石粉對混凝土強度在15%以內影響不大或沒有不利的影響。

1.2石粉對混凝土拌合物的影響

和易性是指混凝土易于攪拌、運輸、澆筑、搗實等施工作業，并能獲得質量均勻和密實的混凝土的性能。石粉取代部分水泥和礦物摻合料應用于混凝土中，可改善細粉料的顆粒級配，并可提高漿體之間的機械咬合力［8］。吳明威等［9］和劉建剛等［10］研究了機制砂中小于0.08mm石粉對混凝土拌和物性能的影響，認為石粉是一種惰性摻和料，顆粒細小，補充了混凝土中缺少的細顆粒，增大了固體表面積對水體積的比例，從而減少了泌水和離析，改善了混凝土的和易性。王衛東等［11］認為石粉起到微滾珠作用，減少了砂石間的摩擦改善了混凝土的和易性。郜進良等［12］認為對低強度等級的混凝土，由于混凝土體系中膠凝材料用量少，而機制砂中的石粉恰可彌補這一缺點，使混凝土拌和物黏稠度增大，改善拌和物的黏聚性。混凝土中的小顆粒比表面積大，其表面可以吸附大量的自由水，可改善混凝土的保水性。機制砂中小顆粒與水泥、水混合形成的細砂漿在混凝土拌和物中可減小粗骨料之間的摩擦力并起到潤滑劑的作用，增大拌和物流動性。

1.3石粉對混凝土耐久性的影響

李勇等［13］實驗證明，在同等條件下，改善混凝土中河砂和機制砂的比例(河砂與機制砂比例為1∶1，細度模數2.8)能提高混凝土的抗氯離子滲透性能，由于混凝土的抗滲性主要與其孔結構有關，因此大多數人認為機制砂中的石粉是混凝土抗滲性提高的主要原因。但是，王雨利等［14］認為石粉雖然是一種惰性材料，可以促進硅酸鹽的水化和各種鋁酸鹽反應，并能優化混凝土的孔隙結構，使混凝土變得更均勻。但它不是一種膠結材料。它取代水泥后，使水化產物變少了，混凝土的密實性相應地就變差導致整體的抗滲性能變差。李婷婷等［15］認為機制砂中石粉有利于提高膠凝材料少、強度等級低的混凝土的抗滲性，但對于膠凝材料用量大的高強混凝土則作用不明顯。

2機制砂混凝土運用中存在的問題

2.1缺少優良的制砂工藝

目前，機制砂的生產方法主要有濕法和干法。其生產的核心設備有兩個：一是制砂機，二是洗砂機或除塵器及砂石粉分離機。而國內使用最多的方法是濕法生產，其首先通過顎式破碎機破碎，再通過圓錐破碎或反擊破碎，得到一定的粗骨料，再經過立軸沖擊破碎或錘式破碎或棒磨機來生產，最后通過洗砂機水洗的辦法除掉機制砂中的泥和一定的石粉。

第一個問題是生產設備。機制砂生產設備采用粗骨料的生產設備，像是碎石生產早期，用顎式破碎機生產粗骨料類似，采用不合理的生產設備，不能夠生產出優質的骨料。特別是在河砂較為豐富的地區，在河砂不夠用，同時機制砂還沒有形成規模生產的情況下(國內很多地區有這種情況，如四川省某些地方比較典型)，采用生產粗骨料的反擊式破碎機生產機制砂，棱角多、針片狀很多，級配很差。并且4.75mm及2.36mm以上的顆粒嚴重的超標。造成機制砂不好用、不能用，施工單位不敢用，摻配大量的河砂勉強用。圖1～2是反擊破生產的機制砂。

第二個問題是去石粉的工藝。機制砂生產石粉含量很高，必須有一個去石粉的工藝，可以采用干法或濕法工藝，也有半濕法工藝。目前大多數采用濕法生產機制砂，即采用洗砂機洗掉一部分石粉。在洗走石粉的同時，也容易洗走大量其他細微顆粒，導致機制砂級配不合理，細度模數偏大。大多數機制砂生產沒有回收細顆粒工藝，甚至沒有采用正確的的生產設備，也不滿足普通的生產工藝。造成配制的混凝土和易性差(見圖3)，特別在低強度等級或低水泥用量混凝土中表現非常明顯［16］，配制的混凝土工作性較差。國內大量的機制砂在級配上的共同特點就是兩頭大，中間小，從顆粒統計結果分析，機制砂級配大于2.36mm和小于0.15mm的顆粒偏多，而中間顆粒(尤其是0.3～1.18mm)偏少，有時某一粒級斷檔。

上海新開元采用水力旋流器、超細篩網等實現泥砂分離，成功的回收了0.045mm以上的顆粒。回收的顆粒中0.15mm以上的顆粒占59%，不但減少了污染，更重要的是機制砂的級配變得連續。國內回收細顆粒的機制砂生產場礦很少，但是回收后機制砂性能很好，回收量可達15%～20%，機制砂的性能可以與級配好的河砂相比(見圖4)。

2.2缺少統一的機制砂質量標準

機制砂將會逐步取代天然砂用于大量土木工程建設已經成為越來越多人的共識。但是，對于機制砂的質量標準在各國各行業卻不統一。在國外，美國、日本、英國等都有自己的機制砂質量標準。而在國內，不僅不同地區有不同的機制砂質量標準，比如上海市頒布了DG/TJ08－506－2002《機制砂在混凝土中應用技術規程》、天津市頒布了DB29－72－2004《人工砂應用技術規程》，而且不同的行業也有不同的機制砂標準，比如JTGTB07－01－2006《公路工程混凝土結構防腐技術規范》、TB10005－2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》。

3標準問題

1)級配問題。由于河砂是天然形成的，適用于細骨料的標準，但是機制砂是人工生產，由于生產的工藝、設備及成本問題，不可能使得機制砂大幅度減少棱角，接近河砂，表面不可能光滑，而且石粉含量多達20%～30%，采用河砂的級配和質量要求機制砂顯然不合理。但是我國采用的級配曲線大都是河砂級配曲線如JGJ52－2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》、TB10005－2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》、JGJ/T241－2011《人工砂混凝土應用技術規程》，地方標準也大都采用河砂級配標準作為機制砂級配標準。特別是0.15mm、0.30mm以及4.75mm級配不合理。2011年的建設用砂國家標準只是對0.15mm累計篩余進行修訂，其他粒級累計篩余沒有變動，對于機制砂標準及應用來說是一福音，但是還不夠。建議4.75mm累計篩余采用美國ASTM33的要求，4.75mm以上最多5%，對0.30mm累計篩余也相應的調整。

2)石粉問題。國內外標準對石粉的要求不一。因為各個國家考慮石粉含量時往往出發點不同，因此造成了對石粉含量的限值的規定出入比較大。例如美國標準ASTMC33－2007是根據混凝土耐磨性要求來限制細集料中最大石粉含量的，英國標準BS882：1992根據混凝土的使用性能來規定其細集料石粉含量的，按重載混凝土路面和普通混凝土來規定的，日本標準JISA5005－1993統一對混凝土用機制砂的石粉含量做要求。我國的國家、行業以及各地方標準對機制砂石粉含量的規定大都是按照混凝土強度等級的不同規定劃分的。不同國家標準對混凝土用機制砂石粉粒徑的界定和石粉含量的限值不同，見表1。我國各地方和行業標準對混凝土用機制砂石粉含量限值和分類標準見表2。

所以，我國對于高強度等級混凝土如C60級以上，石粉含量可以采用國標GB/T14684－2011《建設用砂》要求，但對于低強度等級混凝土的石粉要求10%過于苛刻，顯然不能滿足低強度混凝土配制要求，可以參考國外對于石粉含量的要求適當的提高含量。如C30以下混凝土或大流態泵送混凝土、自密實混凝土，石粉含量可以達到15%～20%。這樣不但可以提高混凝土的保水性、黏聚性同時提高流動性及可泵送性能。另外不同的石粉其含量可以有所區別，對于耐久性滿足要求的條件下，如石灰石石粉可以更多一些。

4結論

隨著現在大量工程項目的建設，機制砂的運用前景也將越來越廣闊，機制砂的廣泛運用不僅滿足了現代建設工程的需要而且也與現在環境保護的思想不謀而合。但是，從現在運用機制砂的實際來說仍有許多問題需要解決，主要表現在以下幾方面：

1) 目前，大部分學者對機制砂混凝土性能的影響因素主要側重于石粉的研究，所以其他因素如保水劑等對于機制砂混凝土性能的影響還有待研究者進一步研究。

2)目前，國內外對于機制砂中的石粉問題標準不一，特別在國內對低強度等級混凝土石粉的限值較苛刻，所以，建議國內參考國外對于石粉含量的要求，適當的提高低強度等級混凝土中石粉的含量。